Черные дыры во Вселенной

В последние годы большую популярность в астрофизике приобрела гипотеза так называемых „черных дыр“. Двадцатый век принес с собой целый ряд удивительных открытий в физике и астрономии. Идет своеобразная цепная реакция: обнаруживаются диковинные явления, а их дальнейшее изучение и осмысление приводит к открытию явлений, еще более поразительных.

Из книги Виктора Комарова "Новая занимательная астрономия" 1983 год

Таков закономерный путь развития естествознания.

Один из самых диковинных, правда, пока еще „теоретических“ космических объектов, который в последние годы привлекает особое внимание физиков и астрофизиков, — черные дыры. Одно название чего стоит: дыры во Вселенной, да еще черные!

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, силы тяготения непосредственно связаны со свойствами пространства. Любое тело не просто существует в пространстве само по себе, но определяет его геометрию. Однажды какой-то предприимчивый газетный репортер обратился к Эйнштейну с просьбой изложить суть его теории в одной фразе и так, чтобы это было понятно широкой публике. „Раньше полагали, — ответил на это Эйнштейн, — что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время“.

Любые массы искривляют окружающее пространство. В повседневной жизни мы этой искривленности практически не ощущаем, поскольку нам обычно приходится иметь дело со сравнительно небольшими массами. Однако в очень сильных полях тяготения этот эффект может приобретать существенное значение.

За последние годы во Вселенной обнаружен целый ряд явлений, которые свидетельствуют о возможности концентрации огромных масс в сравнительно небольших областях пространства.

Если некоторая масса вещества окажется в малом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения это вещество начинает сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа — гравитационный коллапс.

В процессе коллапса растет концентрация массы. Растет в соответствии с общей теорией относительности и кривизна пространства. И в конце концов наступает момент, начиная с которого ни один луч света, ни одна частица, ни один физический сигнал не может „вырваться“ из подобного образования наружу. Это и есть черная дыра.

Для внешнего наблюдателя такой объект как бы перестает существовать — от него не поступает никакая информация: ведь любая информация не может распространяться сама по себе, она должна иметь материального носителя.

Радиус коллапсирующего тела, при котором оно превращается в черную дыру, получил название гравитационного. Для массы Солнца гравитационный радиус равен 3 км, для массы Земли — 0,9 см. Если бы Солнце сжалось до размеров шара радиусом 3 км, оно превратилось бы в черную дыру.

На поверхности, радиус которой для данной массы равен гравитационному, сила тяготения становится бесконечно большой. И для того, чтобы ее преодолеть, надо было бы развить вторую космическую скорость, превосходящую скорость света. Вот почему черная дыра ничего не выпускает наружу. В то же время она может втягивать в себя окружающее вещество, увеличивая при этом свои размеры. Таким образом, возможность существования черных дыр можно объяснить и с точки зрения классической механики Ньютона. Но для описания всего комплекса явлений, связанных с черными дырами, необходимо применение общей теории относительности.

В частности, согласно этой теории в сильном гравитационном поле течение времени замедляется. Поэтому для внешнего наблюдателя процесс падения какого-либо тела в черную дыру должен протекать бесконечно длительное время. Для такого наблюдателя процесс сжатия вещества фактически останавливается при приближении к гравитационному радиусу. Иную картину увидел бы воображаемый наблюдатель, падающий вместе с веществом в черную дыру. Он за конечный промежуток времени достиг бы гравитационного радиуса и продолжал падать к центру черной дыры. То же самое происходит и с коллапсирующим веществом: перейдя через гравитационный радиус, оно продолжает сжиматься дальше.

Согласно выводам современной теоретической астрофизики, черные дыры могут быть заключительными этапами в жизни массивных звезд. Пока в центральной части звезды работает источник энергии, высокая температура приводит к расширению газа, который стремится „раздвинуть“ вышележащие слои. В то же время колоссальная сила тяготения звезды „тянет“ эти слои к центру. Но после того, как „горючее“ в недрах звезды оказывается полностью израсходованным, температура в ее центральной части постепенно понижается. Равновесие нарушается и под действием собственного притяжения звезда начинает сжиматься. Ее дальнейшая судьба зависит от величины массы. Как показывают подсчеты, если звезда в 3–5 раз массивнее Солнца, то ее сжатие на заключительном этапе может привести к гравитационному коллапсу и образованию черной дыры.

Несколько лет назад был обнаружен космический объект в созвездии Лебедя, который вполне возможно является черной дырой. Это темный объект с массой, равной четырнадцати массам Солнца. Впрочем, окончательное доказательство того, что объект в Лебеде действительно черная дыра, еще впереди.

В то же время все чаще высказываются предположения о том, что в ядрах галактик и в квазарах могут находиться сверхмассивные черные дыры, которые и являются источниками активности этих космических объектов.

Такие черные дыры способны втягивать в себя окружающее вещество, энергия движения которого в гравитационном поле может перерабатываться в другие виды энергии. В частности, было сделано интересное открытие, связанное с галактикой М 87 (радиоисточник Дева А), давно привлекающей к себе внимание. На фотографии этой галактики отчетливо видна выброшенная из ядра струя, состоящая из нескольких отдельных газовых сгустков с общей массой около 10 миллионов солнечных масс и движущихся со скоростью порядка 3000 км/с. Это говорит о большой силе взрыва, который произошел в ядре.

Наблюдения показали: если на некотором расстоянии от ядра распределение вещества в М 87 соответствует обычному распределению звезд в галактиках, то вблизи центра в очень небольшом объеме сконцентрирована колоссальная слабосветящаяся масса, равная 6 миллиардам солнечных масс. Возможно, это гигантская черная дыра, возбуждающая активность ядра, а может быть, очень плотное образование еще неизвестной нам природы.